Nezávisle na základním onemocnění má fibrotická plíce zvláštní strukturální, biochemické a anatomické změny, které vedou k hlubokým změnám v mechanice dýchání.
Extracelulární matrix ve fibrotické plíci
Extracelulární matrix (ECM) se skládá ze složité sítě proteinových struktur (kolagen, fibronektin, elastin, glykoproteiny a proteoglykany), které hrají klíčovou roli při určování mechanické stability a elastického odskoku plic. ECM je dynamická struktura, která je neustále přetvářena enzymatickými procesy. U fibrotické plíce dochází k dysregulaci tohoto remodelačního procesu s nerovnováhou mezi sekrecí a degradací proteinů, přičemž se zvyšuje ukládání kolagenu, elastinu, proteoglykanů a fibronektinu . Vzhledem k tomu, že hlavními složkami plicní tkáně, které nesou napětí, jsou kolagenová a elastinová vlákna, může jejich kvantitativní a architektonická modifikace ovlivnit elastický odskok plic. Elastin a kolagen se významně liší svými mechanickými vlastnostmi. Ve skutečnosti je elastin zodpovědný za pružnost, zejména při nízkých úrovních napětí, a může být natažen o více než 250 % své původní délky, než se přetrhne, zatímco kolagen je tužší a podstatně méně roztažitelný, přičemž je prodloužitelný pouze o 1-2 % oproti původní délce . Kolagenní vlákna, která jsou v klidové poloze složená, se natahují pouze při vysokých objemech plic, blízkých celkové kapacitě plic, a působí jako blokovací systém určující omezení distenze plic a vznik křivočarého vztahu napětí a deformace (obr. 1). Elastinová vlákna jsou proto hlavním faktorem určujícím maximální plicní objem, kterého lze dosáhnout během nafukování, při jehož překročení hrozí barotrauma a volutrauma v důsledku rozpadu kolagenních vláken. Tento koncept lze aplikovat nejen na celou plíci, ale také na různé oblasti plic, které mají svou maximální celkovou regionální kapacitu . To je zvláště důležité u fibrotické plíce, kde má složení ECM vysokou regionální heterogenitu. U IPF se kolem myofibroblastů ve fibroblastických ložiscích hromadí kolagenní vlákna, která příslušné oblasti ztužují .
Souvislost mezi napětím a deformací ve zdravých, ARDS a fibrotických plicích. Specifická elasticita (K) je sklon křivky v její lineární části. Přestože se plíce s ARDS vyznačují nízkou poddajností, jejich elastické vlastnosti odpovídají vlastnostem zdravých plic za předpokladu, že deformace vyvolaná dechovou ventilací je normalizována na objem plic na konci výdechu. U ARDS se „dětská plíce“ (šedá oblast) nafukuje až do určité úrovně, kdy dochází k hyperinflaci a ke ztrátě linearity vztahu napětí a deformace, což se blíží hranici rozpadu složek extracelulární matrix (blesk). U fibrotických plic je specifická elasticita vyšší, a proto je křivka napětí-deformace strmější. Během nafukování vystupují zdravé oblasti skrz fibrotické stěny, což ilustruje ruka postupně mačkající „mačkavý míč“. Ve srovnání s ARDS je rozpadu dosaženo při nižším napětí a nižší deformaci. ARDS syndrom akutní respirační tísně, VT dechový objem, EELV end-expirační objem plic, PL transpulmonální tlak
Histopatologické charakteristiky fibrotické plíce
Plíce mohou být během AE-ILD charakterizovány několika histopatologickými vzorci; mezi nimi je nejzávažnějším a nejčastějším projevem koexistence DAD překrytá vzorcem UIP. Histopatologickými znaky obrazce UIP jsou prostorová heterogenita, časová heterogenita s fibroblastickými ložisky a mikrohoneycombing. Prostorová heterogenita je definována jako přítomnost oblastí normální tkáně střídajících se s oblastmi s fibrotickými změnami. Časová heterogenita je současná přítomnost oblastí s jen mírnými změnami struktury ECM a proliferativními agregáty fibroblastů a myofibroblastů, které sousedí s oblastmi intenzivní fibrózy tvořené hustým acelulárním kolagenem, což ukazuje na různá koexistující stadia onemocnění. Voštinové léze jsou oblasti tvořené dilatovanými vzduchovými prostory s anelastickými stěnami z fibrózní tkáně obalené epitelem . Vzhledem k těmto předpokladům je zřejmé, jak mechanické vlastnosti fibrotické plíce musí odrážet tuto histologickou heterogenitu.
Mechanické vlastnosti fibrotické plíce
Plíce jsou běžně modelovány jako elastické těleso, které se vyznačuje drobnými deformacemi při nafukování. U nefibrotické plíce lze vlastnosti parenchymu popsat pomocí dvou nezávislých elastických modulů, které jsou funkcí transpulmonálního tlaku (PL). Objemový modul popisuje chování plíce při rovnoměrné expanzi, zatímco smykový modul (G) popisuje chování při nerovnoměrné distorzi . Smykový modul se mění přibližně lineárně jako funkce transpulmonálního tlaku podle následující rovnice:
kde α představuje konstantu úměrnosti, která se mění podle druhu savců.
Vztah mezi napětím a deformací je určen vztahem:
kde konstanta úměrnosti Y je Youngův modul. Napětí je stejná a opačná síla, která vzniká v elastickém materiálu při působení vnější síly, konkrétně transpulmonálního tlaku (PL), zatímco deformace je výsledná deformace ve srovnání s klidovou polohou, tedy poměr přílivového objemu (VT) a konečného výdechového (klidového) objemu plic (EELV). Rovnici 2 lze tedy přepsat takto:
kde K odpovídá specifické elastanci (obr. 1), koeficientu popisujícímu elastické vlastnosti plic, jehož hodnota se u zdravého člověka pohybuje kolem 13,5 cmH2O . Lze jej interpretovat jako PL vedoucí ke zdvojnásobení objemu plic ve srovnání s EELV. Pokud PL vede ke zvětšení objemu plic nad celkovou kapacitu plic, dochází k roztažení kolagenních vláken, což způsobuje VILI. Napětí a deformace jsou tedy hlavními determinanty VILI, resp. podílejí se na barotraumatu a volutraumatu.
Tento jednoduchý model není použitelný v přítomnosti závažné deformace plicního parenchymu, kdy PL již není funkcí modulů lineární elasticity, jako je tomu u fibrotické plíce, kde anatomické nehomogenity vedou k anizotropnímu chování: aplikace PL v plicích s různými mechanicko-elastickými vlastnostmi má nepředvídatelné důsledky na vazbu napětí a deformace v různých oblastech plic, s vysokou deformací parenchymu během insuflace a následným zvýšeným rizikem VILI. U fibrotických plic by se vysoké retrakční síly způsobené zvýšenou tuhostí parenchymu mohly projevit ve snížené celkové deformaci. Nicméně vzhledem k heterogenitě parenchymu mohou být zóny plic bez fibrózy vystaveny intenzivní deformaci. V přítomnosti příslušných nehomogenit totiž makroskopické parametry plicní mechaniky nemusí nutně odrážet to, co se děje v mikroměřítku, kde nehomogenity působí jako lokální zvyšovače napětí a zvyšují lokální PL .
Teorie squishy ball lung
Ve fibrotických plicích může účinek PEEP určovat vysunutí nejvíce distenzibilních oblastí plic přes husté anelastické okrsky fibrotické tkáně, což způsobuje zvýšenou tuhost a usnadňuje rozpad tkáně. Účinek, který je determinován v některých oblastech plic, je podobný tomu, který se projevuje u zátěžových míčků zvaných „squishy balls“ (obr. 1 a 2). Při stlačení „squishy ball“ způsobuje zvýšení tlaku uvnitř objektu zaškrcení elastické části těla neelastickou sítí, která míček obepíná. Výsledkem je tvorba puchýřků, které vyčnívají mimo síťové oko, dokud nedosáhnou meze pružnosti. „Efekt mačkavé koule“ v některých oblastech plic může být příčinou mechanických nevýhod dosažených při použití vysokého Pairway a PL v plicích s fibrózou a mohl by potvrdit roli statického napětí při vzniku VILI. Navíc, pokud jsou nejvíce rekrutační oblasti vystaveny vysokému PL, je následná nadměrná inflace zhoršena mechanickou geometrií fibrotické plíce, protože anelastické oblasti působí jako zvyšovače napětí.
a Histologický důkaz prostorové heterogenity s relativně ušetřenými alveolárními prostory obklopenými skvrnitými oblastmi fibrózy s četnými fibroblastickými ložisky u pacienta s IPF. b CT vzhled vzoru UIP u pacienta s IPF. c Grafický vzhled „mačkavé koule“ znázorňující elastické vlastnosti fibrotické plíce v klidové poloze. d Squishy ball vystavený působení vnitřního tlaku: zvýšení tlaku uvnitř objektu způsobí zaškrcení elastické části tělesa neelastickou sítí, která obaluje kouli určující mechanickou nevýhodu při expanzi
Klinické důsledky
Zmíněné patofyziologické a histologické charakteristiky AE-ILD mají důsledky pro aplikaci MV, titraci PEEP a monitorování dýchání.
Mechanická ventilace a klinický výsledek u pacientů s AE-ILD
Protektivní MV s nízkým dechovým objemem je všeobecně uznávána jako základní kámen v léčbě pacientů s ARDS, zatímco u pacientů s AE-ILD přijatých na JIP studie dosud nestanovily nejlepší ventilační strategii. Jak je znázorněno výše, pacienti, kteří dostávají MV pro AE-IPF, mají závažné změny v dechové mechanice se zvýšením elasticity dýchacího systému, především v důsledku abnormální elasticity plic, zatímco elasticita hrudní stěny může být normální (tabulka 1) . Na základě konceptů odvozených z fyziologických studií odborníci doporučují udržovat statickou PL na konci vdechu pod 15-20 cmH2O u homogenního a pod 10-12 cmH2O u nehomogenního plicního parenchymu, jako je tomu u ARDS.
Ačkoli několik studií ukazuje, že u pacientů s IPF je potřeba MV spojena s vysokou mortalitou, o prognostickém vlivu MV u jiných ILD než IPF je známo jen málo . V nedávné kohortové studii u pacientů s ILD různé etiologie hospitalizovaných pro akutní respirační selhání bylo přežití po 60 měsících u pacientů s IPF a bez IPF srovnatelné a přijetí na JIP a použití MV byly jedinými nezávislými prediktory úmrtí v nemocnici . Nicméně pokud pacienti s AE-ILD různé etiologie dostanou MV, jsou přítomnost plicní hypertenze a průkaz difuzní fibrózy na CT vyšetření spojeny s horší prognózou, zatímco radiologické rozšíření plicní fibrózy přímo koreluje s horší dechovou mechanikou a zvýšenou úmrtností .
Zajímavé je, že v sérii případů mechanicky ventilovaných pacientů s intersticiální pneumonií s autoimunitními rysy byla úmrtnost nižší ve srovnání s pacienty s ARDS známé příčiny . Tyto údaje mohou znít překvapivě, ale mohou souviset se zvláštním radiologickým obrazem zaznamenaným v této sérii, protože žádný z pacientů neměl na CT obraz UIP, zatímco převažovaly známky zánětlivého alveolárního onemocnění a opacity ve skle. Tato pozorování naznačují, že prognóza pacienta s ILD v MV souvisí spíše s rozšířením plicní fibrózy a přítomností obrazu UIP na CT vyšetření než s etiologií ILD.
Vliv PEEP u AE-ILD
Při ARDS se ochrana plic zajišťuje pomocí nízkých dechových objemů, nízkých plato transpulmonálních a hnacích tlaků, ale také pozitivním tlakem na konci výdechu (PEEP) na úrovni dostatečné k udržení oxygenace a zároveň k zabránění otevírání-uzavírání alveolárních jednotek, které způsobuje smykové napětí v průběhu celého dechového cyklu . Klinické studie u ARDS zkoumaly účinek strategie otevřených plic, konkrétně zahrnující použití vyšších úrovní PEEP, než jaké jsou nezbytně nutné k udržení přijatelné oxygenace , často ve spojení s náborovými manévry k maximalizaci provzdušnění plic . Takové studie nebyly schopny prokázat jasné výhody z hlediska výsledku ve srovnání s ventilací s nižšími úrovněmi PEEP. Agresivní náborová strategie použitá v jedné studii navíc vedla dokonce ke zvýšení úmrtnosti . Někteří autoři začali navrhovat, aby byl tlak v plicích, včetně PEEP, minimalizován za účelem snížení VILI u pacientů s poraněnými i neporaněnými plícemi ; tyto koncepty se zdají být slibné i pro fibrotické plíce, kde je náchylnost k VILI obzvláště vysoká.
Zajímavé je, že u pacientů s fibrotickými plícemi a superponovanou DAD retrospektivní údaje ukázaly souvislost mezi vyššími úrovněmi PEEP a mortalitou . Ve srovnání s ARDS je fyziologie MV u pacientů s IPF mnohem méně známá , a není jasné, zda dochází k otevírání a zavírání alveolárních jednotek během dechového nádechu, stejně jako jakou roli přesně hraje PEEP na nábor alveolárních jednotek.
K identifikaci pacientů s regionálním alveolárním kolapsem na konci výdechu, který naznačuje negativní PL na konci výdechu, bylo navrženo sledování PL prostřednictvím hodnocení jícnového tlaku. Fyziologické studie potvrdily, že PL hodnocený pomocí jícnové manometrie odráží regionální PL závislých plicních oblastí, kde převažují atelektázy . Titrace PEEP s cílem dosáhnout pozitivní PL na konci výdechu maximalizuje nábor plic a zlepšuje mechaniku dýchání a oxygenaci u ARDS , ale ve srovnání s empirickým vysokým PEEP nezlepšila přežití u ARDS . Tato konkrétní technika je jednou z metod navržených k dosažení „otevřeného přístupu k plicím“. Navzdory desetiletím intenzivního klinického výzkumu u ARDS se však ventilační strategie zaměřené na dosažení „otevřených plic“ (otevřít plíce a udržovat je otevřené) s použitím PEEP nepodařilo tyto poznatky převést do klinického prostředí , a někteří autoři navrhli strategii „odpočinku plic“ (zavřít plíce a udržovat je v klidu) .
Přes nedostatek fyziologických údajů u pacientů s AE-ILD lze předpokládat, že k exspirační derekreci dochází v parenchymových oblastech ušetřených fibrózy se zachovanou elasticitou. Navzdory možné úloze inkrementálního PEEP při rekrutaci těchto oblastí naznačuje uváděná souvislost mezi vyššími hodnotami PEEP a úmrtností u pacientů s AE-ILD , kritickou úlohu statického napětí při určování VILI u pacientů s fibrotickými plícemi a může naznačovat, že omezení tlaku v dýchacích cestách, včetně PEEP, by mohlo být vhodnější.
.